Hochleistungsfähige Supercomputer sind eine Schlüsseltechnologie für die Spitzenforschung und stärken die Wettbewerbsfähigkeit eines Landes. In der Schweiz setzt die vom ETH-Rat koordinierte Strategie für Hochleistungsrechnen (HPCN) den Rahmen für ein gesamtschweizerisches Netzwerk von Computer- und Fachwissenschaftern. Im Auftrag des Bundes realisiert die ETH Zürich mit Partnern im Tessin ein Supercomputing Center für den kosten- und energieeffizienten Betrieb des künftigen Spitzenrechners.
Die Bedeutung der rechnergestützten Wissenschaften und der Supercomputer nimmt zu. Das Know-how von Forschungsgruppen im Umgang mit Supercomputing ist heute ein Erfolgsfaktor im wissenschaftlichen Wettbewerb. Hochleistungsrechnen - englisch «High Performance Computing (HPC)» - ermöglicht neue Lösungsmodelle für bisher unberechenbare, hochkomplexe Phänomene. Modellierung und Simulation haben heute denselben wissenschaftlichen Stellenwert wie Theorie und Experiment. International sind sich Experten einig, dass Hochleistungsrechnen eine Schlüsseltechnologie für die Wettbewerbsfähigkeit eines Landes ist: Simulationen am Supercomputer unterstützen unter anderem die zuverlässige Bewirtschaftung von Stromnetzen oder die Modellierung von Finanzmarktverhalten.
Die Potenziale der schnellsten Rechner optimal ausschöpfen
Die Rechenleistung und die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Supercomputer haben dank technischer Neuerungen und der höheren Anzahl an parallel rechnenden Einheiten massiv zugenommen. Die schnellsten Supercomputer in den USA führen über zwei Billiarden (1015) Rechenschritte pro Sekunde durch (2 Petaflops). Der schnellste Rechner der Schweiz, der «Monte Rosa» am Nationalen Zentrum für Hochleistungsrechnen (CSCS), kommt auf 211,51 Teraflops oder 211,51 Billionen Rechenschritte pro Sekunde. Die Installation eines Schweizer Spitzenrechners der Petaflops-Leistungsklasse ist für 2012 geplant.
Im Hinblick auf die optimale Nutzung des Petaflops-Supercomputers stellen sich zwei grosse technische Herausforderungen: Zum einen sind die Kosten und der Energieverbrauch der Hochleistungs-Rechensysteme möglichst gering zu halten. Zum anderen verändern sich die Rechnerarchitekturen so grundsätzlich, dass die Forschenden neue Software, neue numerische Verfahren und neue Algorithmen für die Petaflops-Rechner benötigen, wenn sie ihre hochkomplexen Simulationen in wenigen Stunden rechnen wollen, statt monatelang auf die Resultate warten zu müssen.
Neue Modelle für präzisere Erdbeben- und Herz-Kreislauf-Diagnosen
Den Erdwissenschaften fehlen zum Beispiel bis heute Rechnerprogramme, um die Entstehung von Erdbeben und die Ausbreitung seismologischer Wellen in vernünftiger Zeit berechnen und hochauflösend simulieren zu können. Ein Forschungsteam der ETH Zürich entwickelt im Projekt «Petaquake» die nötigen Petaflops-Algorithmen, um die von einem Erdbeben verursachten Bodenerschütterungen zu modellieren. Damit könnten die Erdbeben-Gefahrenkarten und die Sicherheitsbeurteilungen zum Beispiel für Standorte von Grossanlagen verbessert werden.
«Petaquake» ist ein Forschungsprojekt aus der 2009 lancierten HP2C-Initiative (Swiss Platform for High Performance and High Productivity Computing). Ziel der Plattform ist es, die Petaflops-Software und die speziellen Algorithmen in interdisziplinärer Zusammenarbeit von Hardware-Herstellern, Informatikern, Mathematikern und Fachwissenschaftern rasch - und auf die Schweizer Forschungsbedürfnisse abgestimmt - zu entwickeln. Die Projektleitung teilen sich die ETH Zürich, die Università della Svizzera italiana (USI) und die EPFL. Beteiligt sind Wissenschafterinnen und Wissenschafter aus Fachbereichen wie Fluid- und Molekulardynamik, Astronomie, Medizin, Klimaforschung, Biologie oder Mathematik.
Die Herstellung neuer numerischer Verfahren für die Simulation geht dabei Hand in Hand mit der Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Fragestellungen: Zum Beispiel hat die «Hämodynamik», also die Fliessbewegung des Blutes, einen grossen Einfluss auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Die komplexen Interaktionen des Blutflusses mit den Gefässwänden und den Geweben erschweren bis heute die Simulation. Mathematiker der EPFL entwickeln im Projekt «Cardiovascular» Algorithmen für die Petaflops-Hardware, um die anatomische Struktur und die physiologische Reaktion des menschlichen Herz-Kreislauf-Systems in gesunden und in kranken Zuständen zu simulieren und die Grundlage für eine präzisere Herz-Kreislauf-Diagnostik zu legen.
Ein Hochleistungs-Rechennetzwerk mit Nutzen für die gesamte Schweiz Das interdisziplinäre HP2C-Netzwerk wird international stark beachtet. HP2C ist ein Teil des Schweizerischen Nationalen Strategischen Plans für Hochleistungsrechnen und Vernetzung (HPCN-Strategie), dessen Umsetzung Bundesrat und Bundesparlament 2009 beschlossen haben.
Die im Auftrag des Staatssekretariats für Bildung und Forschung (SBF) vom ETH-Rat verfasste HPCN-Strategie ermöglicht es der Schweiz, koordiniert in einen nationalen Spitzenrechner zu investieren und das Nationale Zentrum für Hochleistungsrechnen (CSCS) als Dienstleistungszentrum für die schweizerische Forschung zu positionieren.
Das CSCS ist ein Teil der ETH Zürich und wird ab 2012 den Supercomputer der Petaflops-Leistungsklasse betreiben. Dieser Petaflops-Supercomputer wird aber allen Schweizer Hochschulen und Forschungsanstalten für Forschungsprojekte und für die Ausbildung der künftigen Supercomputing- Spezialisten zur Verfügung stehen. Ausserdem hat das CSCS eine Service-Organisation eingerichtet, die Rechendienstleistungen als Not-for-Profit-Angebot für die Wirtschaft und andere Drittorganisationen bereitstellt.
Um einen kosten- und energieeffizienten Betrieb des Petaflops- Supercomputers sicherzustellen, baut die ETH Zürich bis 2012 ein neues Supercomputing Center in Lugano- Cornaredo. Dieser Neubau ist das dritte Element der HPCNStrategie und erfüllt den Minergie-Eco-Standard. Besonders die Kühlung mit Seewasser ist im Vergleich zu einer konventionellen Luftkühlung umwelt- und energiefreundlicher und kosteneffizienter.
Die HPCN -Strategie - ein Projekt von Bund, ETH-Bereich und Tessin
Die nationale HPCN-Strategie ist breit abgestützt: Die Investitionskosten für die Umsetzung der HPCN-Strategie betragen 172,5 Mio. CHF. 2009 hat das Bundesparlament eine erste Finanzierungstranche von 72 Mio. Franken genehmigt. Die rund 60 Mio. CHF für den Petaflops-Supercomputer werden gleichmässig auf die Jahre 2012–2014 verteilt. Der Kanton Tessin und die Stadt Lugano unterstützen das Supercomputing Center mit einem Beitrag von 5 Mio. CHF respektive mit der Abtretung eines Grundstücks. Die operativen Kosten des Hochleistungs-Rechenzentrums tragen der ETH-Bereich und die ETH Zürich.
